газов очистка

ГАЗОВ ОЧИСТКА

осуществляется с целью технол. подготовки газов и газовых смесей и извлечения из них ценных веществ, а также для предотвращения загрязнения атм. воздуха вредными отходами. Степень Г. о. (%) обычно определяют по формуле:

где М_вх, М_ул, М_вых — соотв. масса примесей на входе, уловленных в газоочистителе и на выходе из него. Этот показатель можно вычислить также, исходя из содержания примесей в газах до (с_нач) и после (с_ост) газоочистного аппарата по формуле:

Очистка от взвешенных частиц. Среди подвергаемых очистке газовых смесей чрезвычайно распространены аэрозоли — дисперсные системы, состоящие из мелких твердых (пыли, дымы) или жидких (туманы) частиц, взвешенных в воздухе или др. газе.

Механическая очистка. Осуществляется сухими и мокрыми способами (см. также каплеулавливание, пылеулавливание, туманоулавливание), а также фильтрованием.

Сухие способы. Наиб. распространены уловители, в которых осаждение твердых или жидких частиц происходит вследствие резкого изменения направления или скорости газового потока (циклоны, пылеосадительные камеры с цепными проволочными завесами, дымососы-пылеуловители, пылевые мешки). Среди этих аппаратов, применяемых, как правило, только для улавливания сравнительно крупных частиц (5 мкм), макс. эффективностью обладают циклоны. Взвешенные частицы отделяются в них от газа под действием центробежных сил, возникающих в результате спирально-поступат. движения газового потока вдоль ограничивающей поверхности аппарата. При гидравлическом сопротивлении 0,5–1,5 кПа эффективность сепарации в циклонах частиц пыли размерами ок. 5 и ок. 20 мкм составляет соотв. 40–70 и 97–99%.

Мокрые способы. Основаны на контакте газового потока с промывной жидкостью (обычно водой). Большинство схем имеют оборотное водоснабжение: жидкость вместе с шламом из газопромывателей направляют в отстойники для осветления и повторного использования; при наличии в шламе ценных веществ его обезвоживают. Метод используют для улавливания тонкодисперсных пылей или туманов.

Особенно эффективны для мокрой очистки скрубберы Вентури (турбулентные газопромыватели), состоящие из трубы-распылителя (включает конфузор, горловину и диффузор) и каплеуловителя. Вводимая в конфузор или горловину жидкость сталкивается с газовым потоком при его интенсивной турбулизации (скорость газа в горловине 40–150 м/с), что приводит к дроблению жидкости на мелкие капли и их коагуляции с взвешенными в газе частицами. Эти аппараты бывают низконапорными (гидравлич. сопротивление 3–5 кПа) и высоконапорными (20–30 кПа), которые могут обеспечить с_ост соотв. до 200 и менее 10 мг/м .

Фильтрование. При этом способе газовые потоки проходят через пористые фильтровальные перегородки, пропускающие газ, но задерживающие твердые частицы. Фильтры служат для улавливания весьма тонких фракций пыли (менее 1 мкм) и характеризуются высокой эффективностью.

Наиб. распространены рукавные фильтры, на выходе из которых с_ост пыли в газе составляет менее 10 мг/м³. Аппарат состоит из камеры и подвешенных в ней рукавов (диам. 100–300 мм, дл. 2–10 м) с заглушенными верхними или ниж. концами. При прохождении газа через рукава на них осаждается пыль. По мере увеличения толщины ее слоя гидравлическое сопротивление фильтра возрастает до 1,3 кПа. Поэтому пыль периодически или непрерывно удаляют мех. встряхиванием рукавов с помощью автоматич. устройства, обратной продувкой их очищенным газом либо комбинацией этих способов. Фильтры собирают из неск. секций, попеременно отключаемых на регенерацию фильтровальных элементов. Рукава изготовляют из тканых и нетканых (войлок, фетр) материалов. Выбор материала для рукавов определяется, кроме мех. прочности и хим. устойчивости, также и теплостойкостью, которая составляет: для прир. волокон до 90 °C, химических до 120 °C (на основе фторволокон до 300 °C), стеклянных до 230 °C, металлических (сеток) до 500 °C. Срок службы рукавов от 9 месяцев до 2 лет.

Зернистые фильтры имеют фильтрующие элементы, способные выдерживать температуры до 800 °C. Различают насыпные фильтры из песка, гальки, шлака, кокса (размер зерен 0,2–3,0 мм, высота слоя 0,1–0,15 м, гидравлическое сопротивление 0,5–1,5 кПа, с_ост до 20 мг/м³) и жесткие фильтры, представляющие собой патроны из керамики и металлокерамики (гидравлич. сопротивление 0,1–6,0 кПа, с_ост менее 1 мг/м³). Регенерацию насыпных фильтров осуществляют ворошением слоя и обратной продувкой с вибровоздействием, жестких — обратной продувкой, промывкой водой и др.

Среди воздушных фильтров особенно распространены ячейковые с гофрированными перегородками в виде промасленных вязаных проволочных сеток, помещенных в рамки, которые вставлены в спец. коробку. Уловленная пыль периодически удаляется промывкой сеток. Применяют для очистки воздуха с с_нач = 1 −3 мг/м³. При этом η_оч 80%.

Для улавливания высокодисперсных аэрозолей (0,5–5,0 мг/м³) используют волокнистые фильтры с перегородками из тонких и ультратонких волокон. К таким фильтрам относятся, напр., т. наз. аппараты ФП (фильтры Петрянова) со слоями из синтетич. волокон диам. 1–2 мкм, нанесенными на марлевую подложку. Эти фильтры не регенерируют; гидравлическое сопротивление их составляет 0,8–1,5 кПа, η_оч до 100%. Для очистки грубодисперсных туманов и капель размером более 10 мкм получили распространение сеточные фильтры — каплеуловители с пакетами из мелкоячеистых сеток. При скорости газового потока 2 м/с гидравлическое сопротивление пакета толщиной 100 мм достигает 0,2 кПа, η_оч фильтров 98%. Фильтры — туманоуловители имеют перегородки из стеклянных, синтетич. или металлич. волокон (диам. 5–20 мкм для улавливания субмикронных частиц, диам. 200–100 мкм — частиц крупнее 1 мкм). Фильтры работают в стационарном режиме саморегенерации благодаря непрерывному самопроизвольному удалению жидкости в результате коалесценции уловленных капель. При наличии в газах твердых частиц фильтры периодически промывают. Гидравлич. сопротивление составляет 1–5 кПа, η_оч 85–100%.

Электрическая очистка. Основана на ионизации электрич. зарядом под действием постоянного электрич. тока (напряжением до 90 кВ) взвешенных в газах твердых и жидких частиц с послед. осаждением их на электродах. Осуществляется в сухих и мокрых электрофильтрах, обеспечивающих с_ост соотв. до 50 и 5 мг/м³. Благодаря малому гидравлич. сопротивлению (до 200 Па) электрофильтры широко применяются для улавливания высокодисперсных частиц пыли или тумана, особенно при очистке больших объемов газа.

Очистка от газообразных примесей

Абсорбционные и адсорбционные методы. Первые основаны на поглощении кислых газов (SO₂, H₂S, HF и др.) гл. обр. сильными основаниями, напр. водными растворами щелочей, соды, суспензиями извести, известняка или магнезита; орг. сернистых соединений — растворами щелочей, а также соляровым маслом и газойлем. Адсорбц. методы с использованием активных углей и цеолитов наиб. часто применяют для улавливания орг. соединений. Обе группы методов м. б. циклическими и нециклическими. В первых отработанный жидкий или твердый сорбент регенерируют нагреванием, понижением давления, продувкой инертным газом или воздухом, отпаркой водяным паром, а также хим. способами; продукты десорбции перерабатывают или выбрасывают. Если восстановить поглотительную способность сорбента полностью не удается, нерегенерируемые соед. выводят из системы и добавляют соответствующее количество свежего сорбента. В нециклич. методах отработанный сорбент целиком заменяют.

Очистка от SO₂. Применяется в основном для выделения примесей из дымовых газов, образующихся при сжигании сернистых топлив, и отходящих газов переработки серосодержащего сырья. Наиб. распространены абсорбц. методы (с_ост = 0,01–0,03%). Осн. количество поглощенного SO₂ связывается в сульфиты или гидросульфиты, а часть, вследствие присут. в очищаемых газах O₂, окисляется в сульфаты. Последние регенерируют с выделением абсорбента и SO₂ либо выделяют как побочные продукты.

В аммиачных методах SO₂ абсорбируют при 35–55 °C водным раствором сульфит-гидросульфита аммония (NH₄)₂SO₃*NH₄HSO₃ с образованием NH₄HSO₃. В аммиачно-циклич. методе в результате отпарки абсорбента при 85–90 °C под вакуумом (40–50 кПа) NH₄HSO₃ разлагается с выделением SO₂, который м. б. переработан в S или H₂SO₄. В аммиачно-гидросульфатном методе при взаимодействии т. наз. отработанного раствора (полученного в результате поглощения SO₂ водным раствором NH₃) с рециркулирующим NH₄HSO₄ выделяются SO₂ и (NH₄)₂SO₄, который при 350–400 °C разлагается на NH₄HSO₄ и NH₃, возвращаемые в цикл; сульфат, образовавшийся при абсорбции, регенерируют добавкой S.

Магнезитовый метод предусматривает поглощение SO₂ водной суспензией MgO при 45–65 °C с образованием кристаллогидратов MgSO₃ и небольшого количества MgSO₄. Их обжигают при 900–1000 °C с образованием MgO и газов, содержащих 10–12% SO₂, которые используют для получения H₂SO₄. По содово-циклич. методу SO₂ абсорбируют вод ным раствором Na₂SO₃ при 45–65 °C с образованием NaHSO₃. Отработанный раствор отпаривают при 100 °C с выделением кристаллов Na₂SO₃ и SO₂. Образовавшийся Na₂SO₄ выделяют предварит. упаркой отработанного раствора.

Известняковый (известковый) метод основан на поглощении SO₂ суспензией CaCO₃ или Ca(OH)₂ с образованием CaSO₃*0,5H₂O и CaSO₄*2H₂O, которые идут в отвал либо м. б. переработаны в товарный гипс. В варианте с осуществлением процесса по типу распылит. сушки при температуре газа более 150 °C влага суспензии испаряется, и сухой продукт реакции улавливается в рукавном фильтре или электрофильтре.

В аммиачно-кислотном методе отработанный раствор разлагается H₂SO₄, HNO₃ или H₃PO₄ с образованием SO₂ и соотв. (NH₄)₂SO₄, NH₄NO₃ или (NH₄)₃PO₄. Очистка по содовому методу проводится водным раствором Na₂CO₃ при 35–40 °C с образованием Na₂SO₃ и NaHSO₃, используемых как товарные продукты. В кислотно-каталитич. методе SO₂ поглощается разб. H₂SO₄ в присутствии MnO₂ или FeSO₄; продукт очистки — 10–12%-ная H₂SO₄, которая при смешении с известью (известняком) перерабатывается в гипс.

Адсорбц. методы очистки с применением гл. обр. активных углей основаны на окислении SO₂ в SO₃ с послед. образованием H₂SO₄. Уголь регенерируют отмывкой водой с получением 10–12%-ной H₂SO₄. По др. методу регенерация осуществляется нагреванием угля до 600 °C твердым теплоносителем (песком) с разложением H₂SO₄; при этом часть угля расходуется на восстановление SO₃ в SO₂, а из газов, содержащих 30% SO₂ (остальное — CO₂ и H₂O), в присутствии CH₄ получается S.

Очистка от H₂S. Преим. подвергают горючие газы (природные, нефтепереработки, генераторный, коксовый, которые содержат также CO₂ и сераорг. соединения) и отходящие газы (напр., вентиляц. воздух в производстве вискозы, содержащий H₂S, хвостовые газы в производстве S, в состав которых наряду с H₂S входит SO₂).

Селективная очистка включает три группы методов: абсорбционные циклические с применением водных щелочных растворов неорг. и орг. веществ; окислительные адсорбционные (хемосорбционные); абсорбционно-десорбционные с регенерацией поглотителя отпаркой. Содержание H₂S в очищенном газе достигает при применении методов первой и второй групп не более 20 мг/м³, третьей — не более 1–2 г/м³. В методах первой группы с использованием неорг. веществ (напр., соединений As и Fe) поглощенный H₂S при регенерации абсорбента окисляется в S кислородом воздуха, частично давая тиосульфаты. Наиб. распространена мышьяково-содовая очистка, основанная на поглощении H₂S растворами тиопироарсената натрия Na₄As₂S₅O₂ и Na₂CO₃ при 30–45 °C; абсорбент регенерируют продувкой воздухом при 40–45 °C с выделением S. При очистке коксового газа одновременно с H₂S поглощается HCN с образованием NaSCN. Методы "Джиамморко — Ветрокок" (абсорбент — смесь Na₃AsO₃ и Na₃AsO₄) и железосодовый [Fe(OH)₂ + 4- Na₂CO₃] применимы и для очистки газов с высоким содержанием CO₂. К методам первой группы с применением орг. соединений — переносчиков O₂-относятся: щелочно-гидрохиноновый, щелочно-фталоцианиновый (абсорбент-фталоцианин Со), "Стретфорд" (антрахинонсульфокислоты с добавкой NaVO₃). Эти методы основаны на окислительно-восстановит. реакциях, проходящих при абсорбции H₂S и регенерации поглотителя продувкой воздухом; в отличие от очистки с участием неорг. веществ S выделяется на стадии поглощения H₂S в результате окисления O₂ орг. веществ (гидросульфидов), образующихся при абсорбции.

Среди методов второй группы широко распространены: очистка гранулированной ZnO (при 400 °C с образованием ZnS; отработанный сорбент, содержащий до 25% S, не регенерируют); активным углем при 30–40 °C [накапливаемую в его порах S экстрагируют раствором (NH₄)₂S; в отсутствие O₂ в газе в него добавляют воздух]; цеолитами; гидроксидами Fe. В последнем случае при взаимодействии Fe₂O₃ H₂O с H₂S образуется Fe₂S₃, окисляющийся в присутствии O₂ в Fe₂O₃ и S. Поглотительная масса, кроме Fe₂O₃, содержит древесные опилки и известь. Отработанный адсорбент, содержащий 40–45% S, используют в сернокислотных производствах. При очистке под давлением поглотитель, применяемый в виде таблеток, регенерируют экстракцией тетрахлорэтиленом.

Методы третьей группы: алканоламиновый — с применением водных растворов диизопропаноламина или метилдиэтаноламина (абсорбция при 30–50 °C, регенерация поглотителя при 115–130 °C); вакуум-карбонатные — основаны на абсорбции H₂S раствором Na₂CO₃ (вакуум-содовый метод) или K₂CO₃ (вакуум-поташный) и регенерации поглотителя при 65 °C и 84 кПа; фосфатный — с использованием раствора K₃PO₄ (абсорбция при температурах до 80 °C, регенерация при 115–125 °C).

Для комплексной Г. о. от H₂S и CO₂, а также от одного из них применяют алканоламиновый метод (растворители — водные растворы моно- и диэтаноламинов; содержание в очищенном газе H₂S до 20 мг/м³, CO₂ до 0,01%) и др. абсорбц. методы с регенерацией поглотителя отпаркой (см. газы природные горючие). Комплексная Г. о. от H₂S (удаляется практически полностью), CO₂ (с_ост1%) и сераорг. соединений (до 2–5 мг/м³) осуществляется методом "Ректизол", основанным на низкотемпературной абсорбции примесей метанолом ( −70 °C, 1–3 МПа) с выделением поглощенных газов ступенчатым снижением давления до 20 кПа при −60 °C.

Для комплексной Г. о. от H₂S и SO₂ используют метод "Сульфрен" — адсорбцию примесей при их взаимод. друг с другом с образованием S на катализаторе (Al₂O₃), который периодически регенерируют продувкой очищенным газом при 350 °C; испарившаяся S конденсируется при охлаждении газа. Общее содержание S в газе после очистки до 1 г/м³.

Очистка от CO₂. Кроме описанных выше методов, используют вымораживание, а также гл. обр. для тонкой очистки (до 0,001% CO₂) применяют щелочной метод. Абсорбент-водный раствор NaOH; при его значительном расходе образовавшийся Na₂CO₃ регенерируют обработкой известью.

Очистка от сераорганических соединений. Помимо комплексной очистки (см. выше), применяют также селективную, которая следует после выделения из газов H₂S и осуществляется мокрыми и сухими методами. К первым относятся щелочной, масляная абсорбция, гипохлоритный, ко вторым — очистка активным углем, цеолитами, железосодовая (контактная).

Щелочной метод, используемый для очистки газов от меркаптанов (до содержания не более 10 мг/м³), основан на поглощении их водным раствором NaOH или KOH с добавками (нафтеновыми кислотами, фенолами, крезолами), повышающими растворимость RSH. Насыщ. раствор регенерируют нагреванием с разложением меркаптанов или продувкой воздухом с испарением катализаторов (фталоцианина Со либо V, в методе "Мерокс" — соединений Fe) для окисления RSH до нерастворимых в щелочной среде дисульфидов RS₂R', отделяемых отстаиванием. Для поглощения CS₂ (до содержания 0,2 г/м³) применяют абсорбцию нефтяными или кам.-уг. маслами (пределы выкипания 200–400 °C) с регенерацией их отпаркой. Гипохлоритный метод основан на окислении примесей меркаптанов и дисульфидов водным раствором NaCIO; отработанный раствор, содержащий Na₂SO₄ и NaCl, не используют.

С помощью активного угля (абсорбция при 30–40 °C, регенерация при 120–150 °C) из газов удаляют ароматические углеводороды, тиофен, CS₂ (с_ост до 0,1 мг/м³). Селективная очистка от COS, CS₂, меркаптанов и небольших количеств H₂S (1,0–1,5 г/м³) при наличии в газах CO₂ осуществляется при 30–40 °C с использованием цеолитов, которые регенерируют очищенным газом при 350–400 °C (с_ост до 2 мг/м³). Очистка железосодовым поглотителем (гранулиров. смесь "красного шлама" с 30% Na₂CO₃) при 125–260 °C основана на каталитич. превращении COS, CS₂ и тиофена в H₂S, который связывается в Na₂SO₄; отработанную контактную массу, содержащую 5–8% S, не регенерируют (с_ост до 1 мг/м³).

Очистка от фтористых соединений. Производится с применением мокрых (водой, известковым молоком, растворами щелочей) и сухих (глиноземом, известняком) методов для выделения HF или SiF₄ гл. обр. из отходящих газов переработки фторсодержащего сырья, напр. при получении фосфорных удобрений из апатита либо А1 электролизом глинозема в расплавленном криолите. Продукты очистки — H₂SiF₆, CaSiF₆ и др.; содержание примесей в очищенном газе до 0,4 г/м³ .

Очистка от летучих органических растворителей. Пары бензина, бензола, ацетона, этилацетата, этанола и др. растворителей обычно содержатся в вентиляц. воздухе производств резиновых изделий, ацетатного волокна, искусств. кожи, цехов по окраске автомобилей и т. д. При концентрации3 г/м³ эти пары улавливают адсорбцией (при концентрации < 1 г/м³ более экономично каталитич. сжигание) преим. активным углем при 20–40 °C. Поглощенные примеси испаряются при регенерации адсорбента нагреванием с отдувкой дымовыми газами, N₂ или острым водяным паром. В последнем случае в результате конденсации продуктов регенерации образуется водяная смесь (десорбат), из которой растворитель выделяют ректификацией, экстракцией или отстаиванием. При невозможности использования десорбата примеси улавливают адсорбционно-окислит. методом (термоокислит. адсорбцией). Поглотитель регенерируют при 300 °C продувкой циркулирующими дымовыми газами (от сжигания прир. газа); содержащиеся в них пары растворителя сжигают при выводе части газов из цикла.

Термические методы. Применяются для удаления или обезвреживания газо- и каплеобразных, а также твердых неорг. и орг. примесей. Заключаются в превращ. их при по-выш. температурах в менее токсичные вещества, которые м. б. удалены в атмосферу либо уловлены.

Термич. дожигание осуществляется при 800–1200 °C путем огневого окисления примесей. При необходимости сжигают дополнит. количество топлива, используя разл. способы регенерации теплоты продуктов сгорания (утилизация теплоты отходящих газов в теплообменниках, получение водяного пара, горячей воды и др.). Примеры термич. обезвреживания — сжигание углеводородов до CO₂ и H₂O, CO до CO₂ или дожигание паров S и H₂S, содержащихся в хвостовых газах производства S (при этом продукты сгорания м. б. подвергнуты очистке от SO₂).

Каталитич. методы применяют часто для предварит. очистки технол. газов. Основаны на взаимод. примесей с др. газообразными компонентами в присутствии катализатора преим. при 300–400 °C и высоких объемных скоростях газа (5∙10⁻³–10⁵ ч ⁻¹). Катализаторы — оксиды Fe, Cr, Cu, Zn, Со, Pt, Pd и др., которые наносят на носитель, имеющий развитую поверхность (обычно наAl₂O₃), или на металлич. материалы (проволоку, сетку, ленту из легиров. стали, Ti, анодиров. А1 и т. п.); активные боксит и уголь, цеолиты, гопкалит (марганцевомедный кат.) и др. Процесс проводят, как правило, с неподвижным слоем катализатора. Для большинства катализаторов во избежание их забивки содержание инертных твердых примесей в газе не должно превышать 15 мг/м³.

К каталитич. методам относятся окисление примесей с применением O₂ и их восстановление т. наз. газом-восстановителем (гидрирование при использовании H₂). Окисляют обычно: кислородсодержащие орг. соед. до CO₂ и H₂O, напр. спирты и эфиры в производстве синтетич. жирных кислот (алюмоплатиновый кат. при 400 °C) или ксилолы и крезолы, загрязняющие воздух при окраске и сушке деталей в машиностроении (цельнометаллич. кат. при 350–380 °C); азотсодержащие орг. соед. до CO₂, H₂O и N₂ (без образования NO и NO₂), напр. ДМФА и акрилонитрил в производстве полиакрилонитрильных волокон (меднохромовый кат. при 370–500 °C); сераорг. соединения и H₂S до CO₂, H₂O и SO₂ (менее токсичного, чем исходные вещества), напр. при обезвреживании дурнопахнущих веществ (метилмеркаптанов) в производстве целлюлозы сульфатной варкой (алюмохроммеднонике-левый кат. при 580 °C); хлорорг. соединения до CO₂, H₂O, Cl₂ и HCl с обезвреживанием двух последних Ca(OH)₂ в производстве хлорорг. продуктов (цеолиты при 400–450 °C); CO в газах каталитич. крекинга (отработанный алюмоплатиновый кат. при 450–500 °C); остаточные количества O₃ до атомарного кислорода в процессе озонолиза при кондиционировании воздуха и питьевой воды и т. д. (гопкалит при 40–80 °C); SO₂, содержащийся в дымовых газах, до SO₃ в производстве H₂SO₄ (ванадиевый кат. при 400–450 °C).

Г. о. с применением газа-восстановителя предназначена для гидрирования сераорг. соединений в H₂S в производстве H₂S (кобальтмолибденовый кат. при 300–400 °C) с послед. улавливанием образовавшегося H₂S оксидом Zn или после охлаждения газа растворами алканоламинов; восстановления метаном и конвертированным прир. газом SO₂ и паров S в H₂S с его селективным извлечением в производстве серы (кобальтмолибденовый или никельмолибденовый кат. при 300–450 °C); восстановления до N₂ оксидов азота, напр. отходящих газов производства HNO₃, с помощью CH₄ или H₂ (при 800–900 °C), которые одновременно связывают O₂, содержащийся в газе, в CO₂ и H₂O, или селективного восстановления с использованием NH₃ (при 200–270 °C) в присутствии катализаторов на основе Pt или Pd.

^{Лит.: Очистка от серы коксовального и других горючих газов, 2 изд., М., 1960; Коуль А. Л., Ризенфельд Ф. С., Очистка газа, пер. с англ., 2 изд., М., 1968; Техника защиты окружающей среды, М., 1981; Очистка промышленных газов от пыли, М., 1981; Берлин М. А., Г о речей ко в В. Г., Волков Н. П., Переработка нефтяных и природных газов, М., 1981; Коузов П. А., Мальгин А. Д., Скрябин Г. М., Очистка от пыли газов и воздуха в химической промышленности, Л., 1982; Справочник по пыле- и золоулавливанию, 2 изд., М., 198,3.}

_{Ю. Н. Бродский}